线性直流稳压电源的设计.docx
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线性直流稳压电源的设计
线性直流稳压电源的设计
摘要
线性稳压电源即当调整管工作在线性状态下时的直流稳压电源，是一种电源变换电路，也是电子系统的一个重要组成部分，其功能是为电子电路提供其所需要的电能。
本论文详细叙述了将220V/50Hz的交流电经过变压、整流、滤波、稳压这一系列的过程转换为直流稳压电源的过程。
其中变压器主要是把市电交流电压转换为所需要的低压交流电；整流电路用来将交流电压变换为单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压，因本电路输出的最大电流较大，故选用电容滤波电路；稳压电路是当输入的交流电压波动、负载及温度变化时，用来维持输出直流电压的稳定。
此方案中展示了线性稳压直流电源的设计中各个组成部分的选型及设计要求的最终实现。
关键词：
稳压电源；整流；变压器；滤波
Thedesignoflineardirectcurrentstabilizevoltagepowersupply
Abstract
Lineardirectcurrentstabilizevoltagepowersupply,namely,whencompensatingpipeworksunderlinearconditionoflineardirectcurrentstabilizevoltagepowersupply，isakindofpowerconversioncircuit,anditisalsoanimportantpartinthesystemofelectroniccircuit.Itsfunctionistoprovidetherequiredelectricalenergy.Thistextdescribesaseriesofprocesses,whichconvertalternatingcurrentof220v/50Hztolineardirectcurrentstabilizevoltagepowersupplythroughthevoltagetransformer,rectifier,filter，regulator.Thevoltagetransformersmainlyneedtoconverthighalternatingvoltagetolowvoltagealternatingvoltage.Unidirectionalrectifiercircuitisusedtotransformalternatingvoltagetoone-waypulsatingdirectcurrentvoltage.Filtercircuitisusedtofilteroutlaterrectifyingone-waypulsevoltageofthealternatingcomponent,makingitasmoothdirectvoltage.Wechoosecapacitorfiltercircuit.Becausethemaximumcurrentofthiscircuitoutputislarger.Regulatingcircuitisusedtomaintainthestabilityoftheoutputdirectvoltagewhentheinputalternatingvoltagefluctuation,loadandtemperaturechange.Thisscenarioshowseachpartoftheselectioninthedesignoflineardirectcurrentstabilizevoltagepowersupplyanddesignrequirementsofthefinalimplementation.
Keywords:
Stabilizedvoltagesupply；Rectifier；Transformer；Filter
引言
线性稳压电源是指调整管工作在线性状态下时的直流稳压电源，它是一种电源变换电路，也是电子系统的重要组成部分，其功能主要是为电子电路提供它所需要的电能。
电子设备通常需要电压稳定的直流电源对负载进行供电。
线性稳压电源被广泛的应用于电子电路中，虽然各种新型的稳压电路结构层出不穷，但线性稳压电源却始终是无法代替的。
电源的质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障大部分来自于电源，因此，电源越来越受到人们的重视。
然而电子设备的小型化和低成本化使电源也以轻、薄、小和高效率为发展方向[1]。
电子设备中都需要稳定的直流电源，而功率较小的直流电源大多数都是将交流电经过整流、滤波和稳压后获得。
本设计中主要是通过不同的模块将生活中常用的交流电压转换为稳定的直流电压。
在我国以电力电子学为核心技术的电源产业从二十世纪60年代中期就已经开始形成了，而到了90年代以来电源产业进入快速发展时期[2]。
一方面电源产业规模的发展在加快;另一方面，在国家自然科学基金的资助和创新意识的指导下，我国电子电力技术的研究从引进吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现出了一些技术难度较大、具有国际先进水平的产品，而且还产生了大批的具有代表性的研究成果和产品[3]。
目前在国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。
但是我国电源产业与发达国家相比仍旧存在着一定的差距和不足:
在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为十到十五年[4]，尤其是在实现直流稳压电源的智能化、网络化方面的研究还不是很多。
总体说来，国内直流稳压电源技术在实现智能化等方面依然相对落后，面对激烈的国际竞争这也是个极其严峻的挑战。
早在20世纪50年代，美国宇航局就已经以小型化、重量轻为主要目标，还为搭载火箭开发出了开关电源[5]。
在近半个世纪的发展过程中，开关电源因其具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等一系列的优点而逐步取代了传统技术制造的连续工作电源[6]，并广泛应用在了电子整机与设备中。
到21世纪小型电子设备的发展更加迅速和更加普及，但是现在很多的小型电子设备都是依靠电池来供电的，所以开发一种新型的多路输出稳压电源应用于小型电子设备中就显得更为重要了。
第一章线性直流稳压电源的工作原理
1．1普通电源的工作原理
现在随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域也变得越来越广泛，电子设备的种类也在逐渐的不断更新、不断增多，电子设备与人们日常的工作、生活的关系也是日益密切。
任何的电子设备都离不开安全有效的电源，电源是一切电力电子设备的动力源，因此它被形象地称之为“电路的心脏”[7]。
现在的生活中，各种高科技产品对电源的技术性能指标的要求更是越来越高。
电源通常可以分为交流电源和直流电源，它是任何电子设备都不可缺少的组成部分。
直流电源又可分为两类[8]，即：
一类是能直接供给直流电流或电压的，如电池、蓄电池、太阳能电池、硅光电池、生物电池等，；另一类是能将交流电变换成所需要的稳定的直流电流或电压的，这类变换电路统称为直流稳压电源。
图1-1电源分类
图1-2交流电压转换电路
现代电子设备的电路中使用了大量的半导体器件，这些半导体一般需要几伏到几十伏的直流供电电源，以便于得到其正常工作时所必需的能源。
现代电子设备中使用的直流稳压电源主要分为两大类：
线性稳压电源和开关性稳压电源。
线性稳压电源亦称为直流线性稳压电源，它的稳压性能很好，而且输出纹波很小，其缺点是需要使用体积和重量都比较大的工频变压器，而且稳定效率也比较低。
开关型稳压电源按照不同分类方式可以分成多种类型。
按照其输出是否调整元（开关元件）等构成的其他部分隔离，这种隔离可以分为非隔离型和隔离型两类[9]；按照开关元件的激励方式，又可以将其分成自激励和他激励两种类型；而按照电源的输入，又可分为AC/DC和DC/DC两种类型[10]；按照开关元件的连接形式，可分成串联型和并列型两种类型。
它的优点是效率高，体积小，重量轻，但却存在着线路结构复杂、维修技术难度大等的一系列的缺点。
开关电源和线性电源的成本都随着其输出功率的增加而增长，但二者的增长速率各异。
一般，当输出功率较小时，线性电源的成本相对较低。
但是，当线性电源成本在某一输出功率点上时，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。
直流稳压电源的发展方向：
智能化、数字化、模块化、绿色化[11]。
20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的诞生也为21世纪批量生产各种绿色直流稳压电源产品奠定了基础。
1.2线性直流稳压电源的工作原理
线性稳压电源是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源，是一种电源变换电路，是电子系统的重要组成部分，其功能是为电子电路提供它所需要的电能[12]
当接入220V/50Hz的市电后，先经过变压器，将220V的交流高电压转换为低电压输出到整流桥，经过整流桥的整流作用输出脉动较大的直流电，接入到滤波电路中，再利用储能元件电容两端的电压不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，最后得到平滑的输出电压。
图1-3各模块输出波形
1.3线性直流稳压电源设计指标
（1）电网调整率
它表示输入电网电压由额定值变化±10%时，稳压电源输出电压的相对变化量，有时也以绝对值表示。
一般稳压电源的电网调整率等于或小于1%、0.1%，甚至0.01%。
（2）稳压系数
稳压系数有绝对稳压系数和相对稳压系数两种。
绝对稳压系数表示负载不变时，稳压电源输出直流变化量
与输入电网电压变化量
之比，即
1-
（1）
它表示输入电网电压变化量
引起多大输出电压的变化。
所以绝对稳压系数K值越小越好。
K越小，说明同一
引起的
越小，也就是输出电压越稳定。
但是，在稳压电源中更重视相对稳压系数。
相对稳压系数S表示在负载不变时，稳压器输出直流电压
的相对变化量
与输入电网电压
的相对变化量
之比，即
1-
（2）
稳压系数通常是指相对稳压系数S，而不是绝对稳压系数K。
（3）输出电阻（也称等效内阻或内阻）
在额定电网电压下，由于负载电流变化
引起输出电压变化
，则输出电阻为
1-（3）
（4）纹波电压
1）最大纹波电压
在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波（包括噪声）的绝对值大小，通常以峰—峰值或有效值表示。
2）纹波系数γ
在额定负载电流下，输出纹波电压的有效值
与输出直流电压
之比
1-（4）
3）纹波电压抑制比
纹波电压抑制比是指在规定的纹波频率（例如50Hz）下，输入电压中的纹波电压
与输出电压中的纹波电压
之比，即纹波电压抑制比
。
第二章电路的设计
2.1直流稳压电源的总体方框图
图2-1直流稳压电源的总体方框图
2.2稳压电源模块电路的设计
2.2.1电源变压器
电源变压器是一个降压变压器，它将电网220V/Hz的交流电压变换成符合需要的低交流电压，并送给整流电路。
变压器的变压比是初级电压与次级电压的比值，由变压器的副边输出来电压确定。
变压器的主要参数有：
变压比：
变压器的变压比是初级电压与次级电压的比值。
额定功率：
是变压器在指定频率和电压下能连续工作而不超过规定温升的输出功率。
效率：
是输出功率与输入功率之比，它反映了变压器的自身损耗。
空载电流：
变压器在工作电压下次级空载时（次级电流为零），初级线圈流过的电流称为空载电流。
空载电流大的变压器损耗大、效率低。
绝缘电阻和抗电强度：
绝缘电阻是指变压器线圈之间、线圈与铁心之间及引线之间的电阻。
抗电强度是在规定的时间内变压器可承受的电压，它是变压器特别是电源变压器安全工作的重要参数。
电源变压器
的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的
交流电压
。
变压器的副边与原边的功率比为
式中
为变压器的效率。
图2-2电源变压器电路
2.2.2整流电路
整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压[4]。
再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压。
常用的整流滤波电路有单相半波整流滤波、桥式整流滤波等。
半波整流：
利用了二极管的单向导电性，只输出交流成分中的正电压部分，电路非常的简单易行，所用的二极管的数量也很少。
但是，由于它利用了交流电压的半个周期，所以输出电压较低，交流分量大，效率低。
故这种电路仅仅适用于整流电流较小，对脉动要求也不是很高的场所。
单相桥式整流电路：
由四个二极管组成，其构成原则就是，保证在变压器副边电压的整个周期内，负载上的电压和电流的方向始终不发生变化。
它实现了全波整流电路，将副边输出电压的负半周期也充分利用了起来，所以在变压器副边电压有效值相同的情况下，输出电压平均值是半波整流电路的两倍。
因此，综合考虑，本电路设计采用单相桥式整流电路。
图2-3单相桥式整流电路
当变压器“1”端为正、“2”端为负时，二极管VD2和VD4承受正向电压而导通，VD1和VD3承受反向电压而截止。
此时，变压器“1”端通过VD4流经RL，再经过VD2返回至“2”端。
当“1”端为负、“2”端为正时，二极管VD1和VD3导通，VD2和VD4截止，电流则由“2”端通过VD3流经RL，再经过VD1返回至“1”端
2.2.3滤波电路
滤波电路可以滤除整流电路输出电压中的大部分的交流成分，既而得到比较平滑的直流电压。
本电路为满足其要求而选用电容滤波电路。
各个滤波电容C均需满足
，其中T为输入交流信号的周期，
为整流滤波电路的等效负载电阻。
图2-4整流和滤波电路
2.2.4稳压电路
稳压电路的功能是用以确保其输出的直流电压是稳定的，不随着交流电网电压和负载的变化而发生变化。
它利用调节流过稳压管自身的电流大小来满足负载电流的改变，并与限流电阻配合将电流的变化转换成电压的变化以适应电网电压的波动。
常用的集成稳压器有固定式三端稳压器和可调式三端稳压器两种。
本电路要求输出±5V/1A，±12V/1A和±15V/1A。
故选用固定式三端稳压器LM7805CT，LM7905CT，LM7812CT，LM7912CT和LM7815CT，LM7915CT，电路的设计非常简单，最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器即可，工作稳定，其芯片内有过渡、过热和安全工作区保护，最大输出电流也满足要求。
图2-5稳压电路
2.3电路参数计算
（1）确定稳压电路的最低输入直流电压
2-
（1）
代入各指标，计算得
（2）确定电源变压器副边电压、电流及功率。
输出电流小于0.5A，输出电压小于12V，由上分析，可选购副边电压为16V，功率为8W的变压器。
选整流二极管及滤波电容。
（3）因电路形式为桥式整流电容滤波，通过每个整流二极管的反峰电压和工作电流求出滤波电容值。
（4）电阻的选择
2-
（2）
欧，则
可以采用一个1K的滑动变阻器。
稳压器功耗估算
当输入交流电压增加10%时，稳压器输入直流电压最大
所以稳压器承受的最大压差为：
最大功耗为：
故选用散热功率为16W的散热器,但考虑到接入负载后压降会更大，所以要选用大功率的散热片。
第三章系统的调试与结果
3.1Multisim仿真
3.1.1整体仿真电路图
图3-1整体仿真电路
3.1.2仿真结果
图3-2输出±5V电压电路
图3-3输出±12V电压电路
图3-4输出±15V电压电路
3.2测试结果分析
表一Multisim仿真结果
要求电压
5V
-5V
12V
-12V
+15V
-15V
实测电压
5.002V
-5.429V
11.952V
-12.05V
14.917V
-14.974V
相对误差
0.002V
0.429V
0.048V
0.05V
0.083V
0.026V
综合分析可以知道，在测试电路的过程中可能带来的误差因素有：
测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差；电流表内阻串入回路造成的误差；示波器，万用表本身的准确度而造成的系统误差。
要想得到更加精确的电压，可选用更高精度的电表、示波器、万用表来连接电路，这样误差就可以减小。
3.3线性直流稳压电源的用途
直流稳压电源是做电子实验的必备仪器。
电子电路要能完成所具备的功能，都必须有直流电源为其提供能量。
直流稳压电源为电子电路提供电压连续可调的直流电压，同时还应具备电压电流显示、报警、过流保护等功能。
还具有较多其它功能，例如：
可用于各种老化的电子设备的维修，如老化的PCB板、家电、各类IT产品、CCFL、灯管等；适用于需要自动定时通、断电，自动记周期数的电子老化元件的测试；电解电容器脉冲老练；电阻器，继电器，马达等测试老练；整机老练；电子元器件性能测试，例行试验。
直流稳压电源还可以广泛应用于国防、科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、电镀、直流电机、充电设备等。
另外，线性直流稳压电源可用于手机和电脑的维修。
在电脑的维修中，5V和12V的直接输出是非常可靠的，而可调输出在连接电路之前是一定要把电压看好的，能不能工作不是重中之重，如果电压太高了就会把电路烧掉了，那就不好了，而且还可能引发一系列的安全问题。
而在手机的维修的过程中，因为在手机开机故障的判断中，需要看开机电流的变化，所以最大用个1A的电流表就足够了。
结论
经这次的毕业设计我收获了很多，也学习到了很多有关专业方面的知识。
本次毕业设计，不仅让我进一步学习了稳压电路的原理和设计，还学会了仿真软件的应用，熟练掌握了直流稳压电源的设计及调试方法，学会了直流稳压电源电路的安装及其使用，同时也熟悉了电子技术设计的一些基本方法和技巧，我也希望以后能将自己设计的直流稳压电源运用到实际生活中去。
我通过认真研读《模拟电子技术基础》这本书，了解并掌握了关于各个集成放大器和稳压电源的知识，也清楚了稳压直流电源的组成部分和各部分的具体作用，并且通过利用仿真软件进行的仿真调试及其测试，掌握了各级输出级的电压值以及各电压的输出波形的具体测量方法和误差分析。
我还学会了电路各部分元件参数的计算和确定，以及通过对实验参数指标的要求和各部分电路各个元件之间的关系来准确的确定具体的电路和元件的实际参数。
通过对电路的理论分析从而在一定程度上大致分析所得的试验结果和确定正确与否，以及采取怎样的措施来有效的减小以致消除外界不稳定因素对试验参数的影响，从而使测量的结果尽量精确，尽量使之与理论值之间的差别最小。
虽然在这次的实验设计和参数的确定以及试验结果的测试的过程当中也遇到了很多的困难，但是通过查阅相关的资料和书籍，并且跟同学互相探讨和研究，基本上解决了所遇到的问题。
但是由于对专业知识具备的不足，所以在设计好的电路中难免会存在一定的差错，而且由于对很多电子器件的实际性能和型号的不了解，会使得自己在选择器件时总是花很长时间才能选到最合适的器件，使整个电路工作在最佳状态。
经过我的多次认真调试和分析，最终使实验结果与理论值间的差距减小到了很小，从而达到了试验的基本要求。
本次的毕业设计，主要提升了我综合应用课本理论解决实际问题的能力。
我觉得毕业设计对我的帮助是很大的，它需要我将所学过的理论知识与实际系统地联系起来，加强了我对学过的知识的实际应用能力！
在设计的过程中还增强了我与同学的之间的团结互助，我们共同解决了许多我自己难以解决的问题。
在今后的学习过程中我会更加的努力，以使自己各方面的能力都有所提高。
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谢辞
此毕业论文设计是我在老师的悉心指导下完成的。
老师非常的平易近人，在工作过程中又是十分的严谨。
在我论文的整个写作过程中，老师对我提出了许多宝贵的意见和建议。
从课题的选择、确定到论文的最终完成，老师为我提供了许多富于创造性的建议和专业知识的指导，帮助我开拓研究思路。
经过这几个月的论文的编写，不仅极大地拓展了我的知识面，而且还让我切身感受到了老师一丝不苟、严谨求实的工作作风。
在论文即将结束之际，谨向老师致以诚挚的敬意和衷心的感谢！
同时，我的论文能够顺利完成，我也要真诚的感谢大学四年里所有传授我知识的老师，这些扎实的专业知识，是我论文得以完成的基础。
我也要感谢我所在班级的同学，在论文写作期间，他们也给我提供了大量的相关资源，还帮助我解决了一系列的疑难点，并给我指出了电路设计中的一些不合理处。
希望以后能有更多的机会和同学一起研究解决问题。
希望这篇凝聚着众多老师、同学和我自己的心血的论文能为我的大学生涯画上一个圆满的句号！
最后，我要向从百忙之中抽时间对本文进行审阅，评
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